尤險(xiǎn)峰， 高鋒軍， 李保東， 程鵬， 李文慶， 王振方

(1. 長城汽車股份有限公司技術(shù)中心， 河北 保定 071000； 2. 河北省汽車工程技術(shù)研究中心， 河北 保定 071000；3. 吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130025)

?

燃燒噪聲二級(jí)影響因素對柴油機(jī)聲品質(zhì)的影響

尤險(xiǎn)峰1,2， 高鋒軍1,2， 李保東1,2， 程鵬3， 李文慶1,2， 王振方1,2

(1. 長城汽車股份有限公司技術(shù)中心， 河北 保定 071000； 2. 河北省汽車工程技術(shù)研究中心， 河北 保定 071000；3. 吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130025)

分析了柴油機(jī)燃燒噪聲產(chǎn)生機(jī)理，采用缸壓數(shù)據(jù)計(jì)算燃燒噪聲，通過臺(tái)架試驗(yàn)分析了二級(jí)影響因素對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲的影響，并在消聲室中進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，多次分噴定時(shí)和分噴油量對燃燒噪聲影響明顯，結(jié)合調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度、增壓器開度和EGR策略，降低了燃燒噪聲突變，使整車語音清晰度提高7%，提高了整車聲品質(zhì)。在怠速狀態(tài)，節(jié)氣門開度由30%減小到20%，燃燒噪聲顯著降低，駕駛室內(nèi)噪聲降低2.0 dB。

燃燒噪聲； 直噴式柴油機(jī)； 噪聲源； 多次噴射

為了在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上增加功率輸出和扭矩，讓全負(fù)荷曲線更加豐盈，柴油機(jī)采用了可變截面增壓器、可變配氣系統(tǒng)、可調(diào)EGR系統(tǒng)、高壓共軌多次可調(diào)噴射系統(tǒng)等，增大了低速扭矩和最大扭矩區(qū)間?？勺兿到y(tǒng)的調(diào)節(jié)和模式變換增大了進(jìn)氣壓力和扭矩波動(dòng)，給噪聲控制帶來了挑戰(zhàn)。如果不采用相應(yīng)的措施，扭矩突然波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致聲譜變化大、總聲壓級(jí)變化大。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不規(guī)律導(dǎo)致燃燒及其激勵(lì)的機(jī)械系統(tǒng)聲譜突然變化，例如平衡軸齒輪側(cè)隙。廢氣再循環(huán)激活時(shí)，進(jìn)氣導(dǎo)致燃燒特性突然變化，嵌入的平衡軸齒輪的聲譜和總聲壓級(jí)會(huì)顯著增強(qiáng)，特別是接近怠速時(shí)。Ardey等將噴油壓力提升到200 MPa，并在優(yōu)化噴油器、噴油嘴和進(jìn)油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之后調(diào)節(jié)控制策略，減小了燃油噴嘴流量，提高混合氣均質(zhì)程度，減小燃燒延遲，進(jìn)而降低燃燒壓力變化梯度，新發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲顯著降低，且一致性提高。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用高精度空氣傳感器和燃燒傳感器，通過閉環(huán)控制“燃燒中心區(qū)域”，防止空氣量出現(xiàn)偏差，補(bǔ)償變動(dòng)的負(fù)面影響，可將燃燒噪聲降低到一定水平。在不采用燃燒區(qū)域控制的情況下，空氣量偏差(變大變小)導(dǎo)致燃燒過程變動(dòng)，不僅會(huì)使MFB50(燃燒50%)點(diǎn)移動(dòng)，還嚴(yán)重影響柴油機(jī)的性能、排放和燃燒噪聲[1-4]。

為降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲，本研究在分析發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，對影響燃燒噪聲的因素進(jìn)行分類，對在線標(biāo)定階段控制柴油機(jī)燃燒噪聲的方法進(jìn)行了驗(yàn)證；對柴油機(jī)燃燒噪聲二級(jí)影響因素及分噴策略、節(jié)氣閥開度、增壓器開度和EGR控制等策略進(jìn)行了試驗(yàn)，并對主要影響因素進(jìn)行優(yōu)化和結(jié)果驗(yàn)證。

1 柴油機(jī)燃燒噪聲產(chǎn)生機(jī)理

高壓共軌柴油機(jī)工作時(shí)燃燒室內(nèi)存在壓力振蕩，即同一時(shí)刻燃燒室內(nèi)各點(diǎn)存在壓差，而測試所得的缸壓曲線是“振蕩曲線”的疊加。低頻壓力振蕩成分是柴油機(jī)燃燒的主要輸出能量，轉(zhuǎn)化為扭矩輸出并做功。而柴油機(jī)燃燒時(shí)的中高頻振蕩壓力振蕩成分表現(xiàn)為對發(fā)動(dòng)機(jī)部件的強(qiáng)烈沖擊，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲幅射。試驗(yàn)表明，中高頻壓力振蕩成分不到柴油機(jī)燃燒總能量的5%，是柴油機(jī)燃燒噪聲能量的主要來源[5-9]。

柴油機(jī)燃燒噪聲的一級(jí)影響因素主要包括缸內(nèi)最高壓力、壓力升高率和壓力高頻振動(dòng)幅值，缸內(nèi)壓力高頻振蕩頻率取決于發(fā)動(dòng)機(jī)工質(zhì)狀態(tài)、反應(yīng)過程以及燃燒室空腔結(jié)構(gòu)形式。衛(wèi)海橋等在ZH1110單缸柴油機(jī)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用冪函數(shù)建立了燃燒噪聲聲壓級(jí)和一級(jí)影響因素的模型，其中變量包括結(jié)構(gòu)影響系數(shù)、缸內(nèi)壓力最大值、壓力升高率和壓力高頻振蕩最大幅值[10]。通過改變缸內(nèi)最高壓力、壓力升高率和壓力高頻振蕩幅值而間接影響柴油燃燒噪聲的因素為次級(jí)因素，也稱二級(jí)影響因素，包括影響工質(zhì)準(zhǔn)備過程的進(jìn)排氣系統(tǒng)、噴油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、壓縮比和燃燒室形狀等[5-13]。

用材料為GaPO4的高精度壓力傳感器測缸內(nèi)燃燒壓力振蕩，采集信號(hào)數(shù)據(jù)，計(jì)算柴油燃燒噪聲(DCN)。通過傅里葉變換，采集頻率在100～10 000 Hz之間的信號(hào)數(shù)據(jù)。信號(hào)經(jīng)過濾波處理，再經(jīng)過均方根(RMS)計(jì)算后，得到燃燒噪聲值。

(1)

式中：2×10-11MPa為聽力截止界限；pDC為缸內(nèi)燃燒壓力信號(hào)；RMS為均方根計(jì)算。

為了實(shí)現(xiàn)對交流信號(hào)電壓有效值的精密測量，采用真有效值(true-RMS)算法轉(zhuǎn)換，對燃燒噪聲波形采用RMS(均方根值)計(jì)算。

(2)

柴油燃燒壓力振蕩信號(hào)經(jīng)過結(jié)構(gòu)衰減濾波和人耳衰減濾波被人感知，從壓力振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換到人耳噪聲的總衰減傳遞函數(shù)為Tr(f)[2]：

(3)

式中：DSA(f)為衰減濾波函數(shù)；Aw(f)為人耳衰減濾波函數(shù)。

用柴油機(jī)結(jié)構(gòu)衰減濾波函數(shù)DSA(f)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)傳出的噪聲受發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的阻尼而衰減，不同的頻率對應(yīng)不同的衰減系數(shù)，可從多缸發(fā)動(dòng)機(jī)上試驗(yàn)獲得[2]。

式中：f為燃燒噪聲頻率分量；ai為100～2 300 Hz結(jié)構(gòu)衰減系數(shù)；bi為2 300～10 000 Hz結(jié)構(gòu)衰減系數(shù)。

用函數(shù)Aw(f)模擬人耳衰減濾波，對于不同頻率的聲壓聲音感知是不一樣的，該處理可以模擬人耳的聽覺[2]。

Aw(f)=2+20·lg(RA(f))，

(5)

式中：f為燃燒噪聲頻率分量。

2 燃燒噪聲測試

在柴油機(jī)開發(fā)的不同階段，需要采用不同方式優(yōu)化燃燒噪聲。在發(fā)動(dòng)機(jī)概念設(shè)計(jì)階段，通過單缸機(jī)研究燃燒噪聲產(chǎn)生機(jī)理并驗(yàn)證計(jì)算模型，估算發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲。通過測試已批產(chǎn)的或者標(biāo)桿機(jī)型，設(shè)定燃燒噪聲范圍。在柴油機(jī)性能、排放標(biāo)定階段，通過在線調(diào)節(jié)燃燒噪聲二級(jí)影響因素使燃燒噪聲在設(shè)定范圍內(nèi)。在驗(yàn)證和小批試生產(chǎn)階段，可以在半消聲室臺(tái)架上或者將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝到整車上對發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)進(jìn)行評(píng)估和評(píng)價(jià)。

在標(biāo)定階段，調(diào)節(jié)燃燒噪聲二級(jí)影響變量，折中考慮柴油機(jī)性能和排放，通過燃燒噪聲在線測試，可以在半消聲室臺(tái)架上或者將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝到普通臺(tái)架上對燃燒噪聲進(jìn)行調(diào)節(jié)。燃燒噪聲在線測試及數(shù)據(jù)處理的流程見圖1。

試驗(yàn)用高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

3 燃燒噪聲二級(jí)影響因素分析

在柴油機(jī)標(biāo)定階段，綜合考慮性能、排放和噪聲，在線調(diào)節(jié)燃燒噪聲二級(jí)影響因素，對柴油機(jī)燃燒噪聲進(jìn)行測試和優(yōu)化。

3.1 多次噴射對燃燒噪聲的影響

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)采用高壓共軌的噴油系統(tǒng)，噴油系統(tǒng)在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)多次噴射，本研究通過調(diào)節(jié)前兩次分噴和主噴來調(diào)節(jié)柴油機(jī)燃燒噪聲。定義非做功行程的壓縮上止點(diǎn)(TDC)為坐標(biāo)原點(diǎn)[14]。

設(shè)定第1次分噴和第2次分噴之間的間隔為5°，第1次分噴油量為1.0 mg，調(diào)節(jié)第2次分噴定時(shí)和噴油量，測量燃燒噪聲，結(jié)果見圖2。由圖2可知，隨著分噴定時(shí)的提前，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲從74.30 dB先減到73.93 dB，然后逐步增大，燃燒噪聲變化率減小。第2次分噴提前角低于15°BTDC時(shí)，隨著噴油量的增大，燃燒噪聲先減小而后逐漸增大，存在最優(yōu)值。

設(shè)定第2次分噴油量為1.0 mg，第2次噴射定時(shí)為10°BTDC。第1次噴射定時(shí)和分噴量對應(yīng)的燃燒噪聲見圖3。第1次分噴量小于1.0 mg時(shí)，隨著分噴定時(shí)的提前，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲先增大后減??；隨著分噴油量的增大，燃燒噪聲逐漸增大。第1次分噴量大于1.0 mg時(shí)，隨著分噴定時(shí)的提前，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲減小，且效果顯著。

設(shè)定第1次分噴油量為1.0 mg，第1次噴射定時(shí)為35°BTDC。第2次噴射定時(shí)和分噴量對燃燒噪聲的影響見圖4。第2次分噴量小于0.5 mg，分

噴定時(shí)13.5°BTDC時(shí)，燃燒噪聲減小到了72.70 dB。第2次分噴量從0.5 mg增大到2.0 mg，燃燒噪聲增大到75.43 dB。

3.2 節(jié)氣門開度對燃燒噪聲的影響

為了驗(yàn)證進(jìn)氣控制對燃燒噪聲的影響，在怠速狀態(tài)，減小節(jié)氣門開度，同時(shí)控制噴油進(jìn)行閉環(huán)控制，減少進(jìn)氣量來降低最高燃燒壓力。燃燒噪聲和節(jié)氣門開度、進(jìn)氣量的關(guān)系見圖5。由圖5可知，節(jié)氣門開度減小到30%以下時(shí)，降低節(jié)氣門開度可以顯著降低燃燒噪聲；當(dāng)節(jié)氣門開度從30%降到10%時(shí)，燃燒噪聲從69.0 dB降低到63.9 dB。由于節(jié)氣門開度小于20%時(shí)CO和HC排放迅速增大，折中考慮，試驗(yàn)選取節(jié)氣門開度為20%，此時(shí)燃燒噪聲68.2 dB。

3.3 轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對燃燒噪聲的影響

根據(jù)性能和排放法規(guī)需求，調(diào)節(jié)增壓器開度、EGR策略，并優(yōu)化分噴定時(shí)和噴射量，測試發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲，結(jié)果見圖6。由圖6可知，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，燃燒噪聲升高。在發(fā)動(dòng)機(jī)800～1 200 r/min的高負(fù)荷區(qū)，存在孤島區(qū)域，這是受發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器狀態(tài)的影響，需要在整車控制策略中進(jìn)一步優(yōu)化[15-16]。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于3 500 r/min，扭矩低于100 N·m時(shí)，燃燒噪聲變化率較大；在高速高負(fù)荷區(qū)，燃燒噪聲變化率較小。

4 二級(jí)影響因素優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

測試環(huán)境為半消聲室，駕駛室內(nèi)用人工頭噪聲傳感器模擬柴油機(jī)燃燒噪聲優(yōu)化前后對駕乘人員的影響。

進(jìn)氣面麥克風(fēng)傳感器距離發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)面中心位置1 m；排氣面麥克風(fēng)傳感器距離發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)面中心位置1 m；正時(shí)面麥克風(fēng)傳感器距離發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)側(cè)面中心位置1 m。

4.1 分噴優(yōu)化降低燃燒噪聲

通過試驗(yàn)優(yōu)化2次分噴和主噴的噴油量和噴射定時(shí)，選擇燃燒噪聲最低時(shí)對應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行消聲室噪聲試驗(yàn)。燃燒噪聲的主要頻率范圍為500～3 000 Hz，車前、車左、車右1 m噪聲分別降低0.59 dB，0.88 dB和0.76 dB，車內(nèi)人工頭測試的噪聲聲壓級(jí)降低1.24 dB。駕駛室內(nèi)人工頭和車前1 m噪聲各頻率對應(yīng)的值均降低，1/3倍頻程見圖7和圖8。

4.2 節(jié)氣門優(yōu)化后整車測試

在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速狀態(tài)，優(yōu)化節(jié)氣門后駕駛員雙耳噪聲降低，發(fā)動(dòng)機(jī)左、右、上方及前面噪聲頻譜也降低明顯(見圖9)。節(jié)氣門開度為20%時(shí)，各面噪聲均有降低，發(fā)動(dòng)機(jī)后端降低了3.3 dB，正時(shí)面降低最明顯，降低3.8 dB。駕駛室內(nèi)駕駛員處聲壓級(jí)降低2.0 dB，調(diào)節(jié)進(jìn)氣對發(fā)動(dòng)怠速噪聲影響大。

4.3 影響因素綜合優(yōu)化降低燃燒噪聲

對多次分噴策略和節(jié)氣門開度進(jìn)行優(yōu)化，綜合調(diào)節(jié)EGR量和增壓器截面控制策略。經(jīng)過優(yōu)化轉(zhuǎn)速1 170 r/min附近噪聲降低，優(yōu)化前后頻譜見圖10和圖11。

轉(zhuǎn)速1 170 r/min時(shí)500～3 500 Hz燃燒噪聲明顯降低，1 850 Hz噪聲降幅最大，降低了12.0 dB(見圖12)。發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲降低，駕駛員的語音清晰度提高了7%，在車輛周圍的語音清晰度也提高了2%～3%，噪聲主觀滿意度評(píng)價(jià)提高。

5 結(jié)論

a) 優(yōu)化多次分噴可以顯著降低500～3 500 Hz的燃燒噪聲，在整個(gè)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷增大燃燒噪聲增大；

b) 調(diào)整節(jié)氣門開度，并閉環(huán)控制噴油量，可以顯著降低低速低負(fù)荷時(shí)的燃燒噪聲；

c) 優(yōu)化噴油策略和節(jié)氣門開度，并調(diào)節(jié)增壓器開度、EGR策略，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)的噪聲變化率，提高了整車聲品質(zhì)。

[1] Ardey BSc Eng Dr N,Wichtl BSc Eng R,Steinmayr BSc Eng T,et al.The New BMW 3-cylinder and 4-Cylinder Diesel Engines with TwinPower Turbo Technology[C]//Internationales Wiener Motorensymposium 2014.[S.l.]:[s.n.],2014.

[2] Arsham J Shahlari,Chris Hocking,Eric KurtzandJaalGhandhi.Comparison of Compression Ignition Engine Noise Metrics inLow-Temperature Combustion Regimes[J]．SAE Int. J. Engines,2013(1):6.

[3] Takayuki Fuyuto,Masahiro Taki,Reiko Ueda,et al.Noise and Emissions Reduction by Second Injection in Diesel PCCI Combustion with Split Injection[J]．SAE Int. J. Engines,2014(4):7.

[4] Tuan AnhNguyen,Yuichiro Kai,Masato Mikami.Study on Combustion Noise from a Running Diesel Engine Based on Transient Combustion Noise Generation Model[C]．SAE Paper 2012-131-140.

[5] 薛遠(yuǎn)，史紹熙，蘭軍，等.直噴式柴油機(jī)燃燒壓力振蕩研究[J]．天津大學(xué)學(xué)報(bào),1996,29:324-328.

[6] 衛(wèi)海橋，舒歌群.內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)壓力與燃燒噪聲[J]．燃燒科學(xué)與技術(shù)，2004(2):56-61.

[7] 蔡憶昔，朱祥楨，李小華.車用直噴式柴油機(jī)燃燒壓力振蕩控制的研究[J]．江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,24:5-8.

[8] 衛(wèi)海橋，舒歌群，梁興雨，等.燃燒噪聲一級(jí)影響模型的多元回歸分析[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，2006,27:620-624.

[9] 衛(wèi)海橋，舒歌群，韓睿，等.直噴式柴油機(jī)燃燒壓力高頻振蕩與燃燒噪聲的關(guān)系[J]．燃燒科學(xué)與技術(shù)，2006,12(2):131-135.

[10] 衛(wèi)海橋，舒歌群，王養(yǎng)軍，等.直噴式柴油機(jī)瞬態(tài)工況燃燒噪聲二級(jí)影響機(jī)理研究[J]．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2007，25(3):208-216.

[11] 石秀勇，喬信起，倪計(jì)民，等.多次噴射改善柴油機(jī)噪聲及污染物排放的試驗(yàn)研究[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，2010，31(5):25-29.

[12] 周海濤，薛冬新，王平，等.預(yù)噴射控制柴油機(jī)燃燒噪聲的試驗(yàn)研究[J]．車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2007(2):9-14.

[13] 田維，曾東建，王媛媛.車用柴油機(jī)放熱規(guī)律與燃燒噪聲的關(guān)系[J]．車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2012(3):82-86.

[14] 高鋒軍，劉發(fā)發(fā)，谷艷華，等.氣門升程對汽油CAI燃燒及氣門定時(shí)區(qū)域影響[J]．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2012，30(6):492-498.

[15] 李兆文，舒歌群，衛(wèi)海橋，等.柴油機(jī)燃燒噪聲增壓影響機(jī)理試驗(yàn)分析[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010,41:31-35.

[16] 李兆文，舒歌群，衛(wèi)海橋，等.增壓前后柴油機(jī)燃燒噪聲的對比分析[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，2009,30(2):29-33.

[17] 湯東，沈飛，來超峰，等.柴油機(jī)燃燒噪聲的傳遞特性[J]．江蘇大學(xué)學(xué)報(bào),2008，29(4):297-300.

[18] 湯東，羅福強(qiáng)，梁昱，等.柴油機(jī)燃燒噪聲的頻譜特性[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38:186-189.

[編輯： 袁曉燕]

Effects of Secondary Influencing Factors of Combustion Noise on Diesel Engine Sound Quality

YOU Xianfeng1,2, GAO Fengjun1,2, LI Baodong1,2, CHENG Peng3, LI Wenqing1,2, WANG Zhenfang1,2

(1. Technical Center, Great Wall Motor Company Limited, Baoding 071000, China;2. Hebei Automobile Engineering Technology &Research Center, Baoding 071000, China;3. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130025, China)

The mechanism of combustion noise was analyzed, the combustion noise was calculated with cylinder pressure data, the effects of secondary influencing factors on combustion noise were studied by bench test and verified in the anechoic lab. The results show that the injection timing and injection quantity of multi-injection has obvious influence on combustion noise. Through adjusting the throttle opening, turbocharger opening and EGR strategy, the abrupt combustion noise reduces, the speech articulation increases by 7% and the vehicle sound quality improves. At idle speed, the throttle opening decreases from 30% to 20%, the combustion noise obviously reduces, and the cab noise decreases by 2.0 dB.

combustion noise; DI diesel engine; noise source; multiple injection

2015-01-19；

2015-04-08

尤險(xiǎn)峰(1985—)，男，助理工程師，本科，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)電控與性能開發(fā)；youxianfeng064@163.com。

高鋒軍(1978—)，男，博士，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)性能及控制優(yōu)化；dynvh@gwm.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.013

TK427

B

1001-2222(2015)05-0075-05